Az ultrahang diagnosztika fizikai alapjai

Hasonló dokumentumok
Az ultrahang reflexiója. Az ultrahang orvosi alkalmazásainak alapjai. Visszaverődés. Terápa alapja az ultrahang elnyelődése

Hang és ultrahang. Sugárzások. A hang/ultrahang mint hullám. A hang mechanikai hullám. Terjedéséhez közegre van szükség vákuumban nem terjed

Hang és ultrahang. Sugárzások. A hang/ultrahang mint hullám. A hang mechankai hullám. Terjedéséhez közegre van szükség vákuumban nem terjed

Hang és ultrahang. Az ultrahangos képalkotás, A-, B- és M-képek. Doppler-echo. Echo elv - képalkotás. cδt = d+d = 2d

Hang: mechanikai hullám (modell) Ultrahangos képalkotó módszerek. síp. térbeli és időbeli periodicitás. rugó. függvény

Hang ultrahang. Hang: mechanikai hullám (modell)

Ultrahang. A hang. A hanghullámot leíró függvény. Az ultrahang

Hang és ultrahang. Sugárzások. A hang/ultrahang mint hullám. A hang mechanikai hullám. Terjedéséhez közegre van szükség vákuumban nem terjed

Hang ultrahang. Hang: mechanikai hullám (modell)

Az ultrahang, mint fizikai jelenség; előállítása, tulajdonságai, diagnosztikai alkalmazásának fizikai alapjai

Biofizika és orvostechnika alapjai

Kiegészítő anyag (videók)

Kiegészítő anyag (videók)

Diagnosztikai ultrahang

vmax A részecskék mozgása Nyomás amplitúdó értelmezése (P) ULTRAHANG ULTRAHANG Dr. Bacsó Zsolt c = f λ Δt = x/c ω (=2π/T) x t d 2 kitérés sebesség

Az élő anyag rugalmas tulajdonságainak felhasználása diagnosztikában és terápiában: ultrahang - módszerek. Hang: mechanikai hullám

Az élő anyag rugalmas tulajdonságainak felhasználása diagnosztikában és terápiában: ultrahang - módszerek. Hang: mechanikai hullám

A hang fizikai tulajdonságai, ultrahang, Doppler-elv Dr. Goda Katalin 2019.

Az ultrahang, mint fizikai jelenség; előállítása, tulajdonságai, diagnosztikai alkalmazásának fizikai alapjai. Hang: mechanikai hullám

Rezgés, Hullámok. Rezgés, oszcilláció. Harmonikus rezgő mozgás jellemzői

Mechanikai hullámok. Hullámhegyek és hullámvölgyek alakulnak ki.

Ultrahangos anyagvizsgálati módszerek atomerőművekben

Az ultrahang orvosi alkalmazásai

Hangintenzitás, hangnyomás

11. Egy Y alakú gumikötél egyik ága 20 cm, másik ága 50 cm. A két ág végeit azonos, f = 4 Hz

A hang fizikai tulajdonságai, ultrahang, Doppler-elv

Ultrahang és elektromos impulzusok alkalmazása

1. A hang, mint akusztikus jel

Hullámmozgás. Mechanikai hullámok A hang és jellemzői A fény hullámtermészete

Zaj- és rezgés. Törvényszerűségek

Ultrahang orvosi alkalmazásairól. Hang: mechanikai hullám (modell)

Rezgések és hullámok

Optika és Relativitáselmélet II. BsC fizikus hallgatóknak

A hang mint mechanikai hullám

Szent István Egyetem Fizika és folyamatirányítási Tanszék FIZIKA. rezgések egydimenziós hullám hangok fizikája. Dr. Seres István

Anyagvizsgálati módszerek

Hullámok, hanghullámok

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

Hullámok tesztek. 3. Melyik állítás nem igaz a mechanikai hullámok körében?

Csillapított rezgés. a fékező erő miatt a mozgás energiája (mechanikai energia) disszipálódik. kváziperiódikus mozgás

1. Az ultrahangos diagnosztika fizikai alapjai

Audiometria 1. ábra 1. ábra 1. ábra 1. ábra 1. ábra

OPTIKA. Ma sok mindenre fény derül! /Geometriai optika alapjai/ Dr. Seres István

Geometriai és hullámoptika. Utolsó módosítás: május 10..

Méréstechnika. Rezgésmérés. Készítette: Ángyán Béla. Iszak Gábor. Seidl Áron. Veszprém. [Ide írhatja a szöveget] oldal 1

Optika fejezet felosztása

Járműipari környezetérzékelés

Ultrahang vizsgálatok

Osztályozó vizsga anyagok. Fizika

Fizikai hangtan, fiziológiai hangtan és építészeti hangtan

A Brüel & Kjaer zajdiagnosztikai módszereinek elméleti alapjai és ipari alkalmazása

A fény mint elektromágneses hullám és mint fényrészecske

Ultrahang alapok. Infrahang < 20 Hz Hallható hang 20 Hz Hz Ultrahang > 20 khz

egyetemi tanár, SZTE Optikai Tanszék

Periódikus mozgások Az olyan mozgást, amelyben a test ugyanazt a mozgásszakaszt folyamatosan ismételi, periodikus mozgásnak

Elektronika 2. TFBE5302

Elektromágneses hullámok - Interferencia

5.1. ábra. Ábra a 36A-2 feladathoz

a) Valódi tekercs b) Kondenzátor c) Ohmos ellenállás d) RLC vegyes kapcsolása

Értékelési útmutató az emelt szint írásbeli feladatsorhoz

Elektronika 2. TFBE1302

11.3. Az Achilles- ín egy olyan rugónak tekinthető, amelynek rugóállandója N/m. Mekkora erő szükséges az ín 2 mm- rel történő megnyújtásához?

Az elektromágneses sugárzás kölcsönhatása az anyaggal

ELEKTROMÁGNESES REZGÉSEK. a 11. B-nek

Rezgőmozgás. A mechanikai rezgések vizsgálata, jellemzői és dinamikai feltétele

Rezgőmozgás, lengőmozgás, hullámmozgás

Történeti áttekintés

az elektromosság orvosi alkalmazásai

Physics of ultrasonography

Mérés és adatgyűjtés

Modern Fizika Labor. 17. Folyadékkristályok

Optika gyakorlat 6. Interferencia. I = u 2 = u 1 + u I 2 cos( Φ)

Mechanika, dinamika. p = m = F t vagy. m t

Optika gyakorlat 2. Geometriai optika: planparalel lemez, prizma, hullámvezető

Az optika tudományterületei

Akusztikai tervezés a geometriai akusztika módszereivel

Rezgőmozgás, lengőmozgás, hullámmozgás

A hullámok terjedése során a közegrészecskék egyensúlyi helyzetük körül rezegnek, azaz átlagos elmozdulásuk zérus.

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény

Látás. Látás. A környezet érzékelése a látható fény segítségével. A szem a fényérzékelés speciális, páros szerve (érzékszerv).

A hőmérsékleti sugárzás

Mechanikai hullámok (Vázlat)

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

Milyen simaságú legyen a minta felülete jó minőségű EBSD mérésekhez

Periódikus mozgások Az olyan mozgást, amelyben a test ugyanazt a mozgásszakaszt folyamatosan ismételi, periodikus mozgásnak

Biofizika. Sugárzások. Csik Gabriella. Mi a biofizika tárgya? Mi a biofizika tárgya? Biológiai jelenségek fizikai leírása/értelmezése

Távolságmérés hullámokkal. Sarkadi Tamás

Optika gyakorlat 5. Gyakorló feladatok

OPTIKA. Geometriai optika. Snellius Descartes-törvény szeptember 19. FIZIKA TÁVOKTATÁS

Oszcillátorok. Párhuzamos rezgőkör L C Miért rezeg a rezgőkör?

Az ultrahangvizsgálatok metodikai alapjai. Az UH keringésvizsgálatok alapjai

Az ultrahangos mérőeszközök elterjedése a vízrajzi szolgálatban

Hangterjedés szabad térben

MateFIZIKA: Szélsőértékelvek a fizikában

Röntgendiffrakció. Orbán József PTE, ÁOK, Biofizikai Intézet november

Röntgendiagnosztikai alapok

CT- és UH-vezérelt biopsiák technikája a radiológus aspektusa

Röntgensugárzás az orvostudományban. Röntgen kép és Komputer tomográf (CT)

FIZIKA ZÁRÓVIZSGA 2015

Összefoglaló kérdések fizikából I. Mechanika

Átírás:

Az ultrahang diagnosztika fizikai alapjai Schay G. 2016 témák : A hang mint mechanikai hullám Frekvencia tartományok - ultrahang Ultrahang keltése Ultrahang transducerek technikai kérdések Távolságmérés ultrahanggal Doppler -effektus Ultrahangos képalkotás, szonográfia 1

Transzverzális hullám ld pl a fény, vagy mech.hullámok bizonyos anyagokban Transzverzális: hullám terjedés iránya merőleges a mozgásra Longitudinális hullámok: hullám terjedés iránya párhuzamos a mozgással Mozgó felszín (hullámforrás) 2

Nyomás növ. Nyomás csökk. 2/17/2016 Compression: összenyomódás, nyomás (és sűrűség) növekedés Rarefaction: kitágulás, nyomás (és sűrűség) csökkenés síp rugó hullámhegy függvénnyel hullámvölgy 3

hidrosztatikai nyomás p total = p hidro + p nyomásváltozás, hangnyomás DC + AC t p( t, x) pmax sin 2 T c T =, c = f x (elektromos analógia: DC=direct current, egyenáram AC=alternating current, váltóáram) általában p hidro >> p Frekvencia tartományok Fourier tétel Jel t i A i sin ω i t + B i cos ω i t Minél több sin/cos függvényt adunk össze, annál pontosabban közelíthető meg bármilyen jel alakja 4

hangmagasság: alaphang frekvenciája hangszín: felhangok aránya (spektrum) Tkv. IV.23. ábra. 9 5

F ω = 1 2π + f t e iωt dt Ha a jel nem periódikus, akkor az összegzés helyett integrálni kell Ha a pulzus rövidebb időben, akkor cserében szélesebb a frekvencia-tartománya Mechanikai hullámok tartományai frekvencia és intenzitás alapján Tkv. IV.24. ábra. 12 6

Hanghullámok terjedése t p( t, x) pmax sin 2 T c T =, c = f x c E 1 K E : Young modulus, ld Hooke-törvény! Néhány fontosabb összefüggés, az elasztikus közeg szerepe c Z Z V V p p v 1 p v c max max kompresszibilitás hangsebesség akusztikus impedancia (definíciós egyenlet) Vigyázat, v itt a térfogat, és nem a sebesség! Több fogalom, mint lehetséges betű... Hasznos számítási formája Z-nek U Zel I 7

Hangsebesség néhány közegben Lágyszövetben átlagosan kb. 1540 m/s J 1 Z 2 p eff intenzitás = energia-áram sűrűség 1 Pel U Z el eff 2 Az intenzitás gyengülését az ismert függvény írja le J J 0 e csillapítás x J0 10lg db J 10 x lge db a diagnosztikai frekvencia tartományban arányos a frekvenciával! 8

~/x (db/cm) a diagnosztikai frekvencia tartományban arányos a frekvenciával ~ f k, k ~1(?) log ~ k logf k = 3 ha egyenest kapunk, akkor jó a hatványfüggvény közelítés k = 2 fajlagos csillapítás lágy szövetre: db ~ 1 f x cm MHz f (MHz) k = 1 Reflexió és törés természetesen a határfelületeken, mint a fény esetében is sin c sin c 1 2 Snellius-Descartes Frekvencia állandó! 9

Ultrahang nyalábok (v.ö. Fénysugarak) eltérülése c l c s c s c l c l c s Valódi út Azt hihetjük hogy itt megy c k c n c k c n c k c n Ha majd képalkotásra akarunk ultrahang nyalábot felhasználni, erre figyelni kell! Reflexió (merőleges beesés esetére) reflexióképesség: J 0 J R J T R J J refl. be Z Z 1 1 Z Z 2 2 2 J 0 = J R +J T Analógia a fénnyel: Z helyett ott a törésmutató van a képletben 10

erő erő 2/17/2016 határfelület R izom/vér 0.001 zsír/máj 0.006 zsír/izom 0.01 csont/izom 0.41 csont/zsír 0.48 lágy szövet/levegő 0.99 Z Z 1 R Z2, csatoló Z forrás Z 1 optimális csatolás: bõr Csatoló közegre van szükség! Generation of ultrasound - Piezoelectric effect Elektromos jelforrás (szinuszoszcillátor)+ transzducer (piezokristály). a feszültség (a) A pozitív és negatív töltések súlypontja egymásba esik. b (b) és (c) Nyomás hatására a töltések súlypontja szétválik, azaz feszültség keletkezik (direkt ~) ill. feszültség hatására a kristály deformálódik (inverz ~). c Otthon: gázgyújtó csipogó 22 11

jelvezeték hangszigetelés hangelnyelő földelés Készülék ház Aktív elektróda Piezoelektromos krist., /2 Földelt elektróda Csatoló réteg, /4 Ultrahang keltő és detektor is egyben! Képalkotás alapja a távolságmérés Határfelületi reflexiót használjuk ki UH adó UH vevő 12

relatív impulzus amplitúdó (db) 2/17/2016 transzducer: adó és vevő egyben időbeli szétválasztás folyamatos hullám helyett impulzusok bőr Impulzus ism. Idő 1 ms frekvencia 1000/s = 1 khz Terjedési seb. Kb. 1540 m/s transducer Imp hossz: 1 s UH frekvencia 1-10 MHz minél később/ minél mélyebbről érkezik vissza a reflexió, annál gyengébb a reflektált intenzitás visszaverődési idő függő erősítés TGC: time gain compensation DGC: depth gain control határfelület R 10lgR (db) T 10lgT (db) zsír/izom 0.01-20.0 0.990-0.044 izom/vér 0.001-30.0 0.999-0.004 izom/csont 0.41-3.9 0.590-2.291 26 13

Nyalábprofil és felbontás (Fresnel zone) (Fraunhofer zone) Beam divergence 14

Feloldási határ, feloldóképesség A feloldási határt ama két pont közötti távolsággal jellemezhetjük, amelyeket az UH segítségével még különálló pontokként detektálhatunk (minél nagyobb az értéke, annál rosszabb a helyzet). Felbontóképesség: a feloldási határ reciproka. A sugárirányú (axiális) feloldási határ az impulzushossztól függ. Az impulzushossz fordítottan arányos a frekvenciával. Jellemző értékek A laterális feloldási határt a nyalábátmérő szabja meg. frekvencia (MHz): 2 15 hullámhossz (izomban) (mm): 0.78 0.1 behatolási mélység (cm): 12 1.6 laterális feloldási határ (mm): 3.0 0.4 axiális feloldási határ (mm): 0.8 0.15 15

ct Axiális feloldási határ t : d c 1 t c 2 t ct impulzushossz ax ct d 2 impulzusidő feloldási határ Az impulzushossz fele az axiális feloldás határa, mivel ekkor éppen érintik egymást az egymás mögötti helyekről induló echók. t ~ T 1 f Laterális feloldási határ lat F ~ 2R F: fókusztávolság 2R: transzducer átmérő : hullámhossz 16

Fókuszálás Fókuszáláskor a nyaláb divergenciája nő a távoltérben és romlik a mélységélesség. Vö. Tkv. 500.o. 1. ábra Huygens elv A hullámfront minden pontja elemi hullámok kiindulópontjának tekinthető. Az új hullámfront ezen elemi hullámok burkológörbéje. 34 17

Elektronikus fókuszálás fókuszálatlan UH nyaláb fókuszált UH nyaláb (k+1)-dik fókuszpont k-dik fókuszpont (k+2)-dik fókuszpont vö. Tkv. 501.o. 2. ábra 35 a pásztázás 1. 2. 3. 4. 5..... iránya lapkaméret Pásztázás sokelemes lineáris lapkacsoport ( linear array ) sokelemes íves lapkacsoport ( curved array ) lapkacsoport a pásztázás iránya 1. 2. 3. a vonalak vö. Tkv. VII. 36-37. ábrák a képvonalak távolsága 1. 2. 3.... a vonalak 36 18

UH frekvenciás feszültségimpulzus-adó késleltető elemek t 1 t t t t t t t t a sugárzó lapkák 1 2 3 4 5 6 7 8 9. a nyaláb iránya UH frekvenciás feszültségimpulzus-adó t n t 1 t t t t t t t t t n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 n. n. sugárirány. hullámfront eredő hullámfront fókusz Pásztázás és fókuszálás vö. Tkv. 507.o. Doppler-effektus : hogyan mérjünk sebességet? Álló forrás Állandó frekvencia f Mozgó forrás Megváltozott észlelhető frekv. f Ha az ultrahang egy mozgó határfelületről verődik vissza, akkor az egyrészt egy mozgó megfigyelő, de egyben egy mozgó forrás is! 19

f : megfigyelt frekvencia, f : eredeti frekvencia (a) álló forrás és mozgó megfigyelő +: megfigyelő közeledik a forráshoz : megfigyelő távolodik a forrástól (b) mozgó forrás és álló megfigyelő (ha v F <<c, akkor ugyanaz, mint (a)) (c) mozgó forrás és mozgó megfigyelő (d) mozgó reflektáló tárgy (felület), (ha v R <<c ) v f ' f 1 c f f ' vf 1 c v 1 f ' f c v 1 c M F 2v f ' f 1 c M R Doppler frekvencia = frekvencia változás = fr. eltolódás ha v i, v R <<c (i=m vagy F) átrendezésével a frekvencia változás (Doppler frekvencia, f D ) f f D vi f c (d) átrendezésével a frekvencia változás (Doppler frekvencia, f D ) f f v c D 2 R f ha v és c nem párhuzamosak, akkor v helyett v cos írandó képletbe 20

fpiros f zold Lebegés Ha két közeli frekvenciájú szinuszos jelet összeadunk (összekeverünk) akkor megjelennek új frekvenciák is. Pl. a különbségi frekvencia, amit szintén megfigyelhetünk (fekete burkoló görbe) összeg függvény emlékeztető: sin sin 2sin cos 2 2 Doppler görbék egy állandó sebesség (v*) sebességeloszlás (v módus -sal) sávszélesség Tkv. VIII.42. ábra sebességek eloszlásfüggvény egy időpillanatban 21

Felület leképezése ultrahang impulzusokkal Transzducer elektromos jele Reflektált impulzus idő 22

Órai kísérlet ct = d+d = 2d 23

transzducer pulzus d ekhó A-kép (Amplitúdó) csak egydimenziós lehet egydimenziós B-kép (Brightness=fényesség) t= 2d/c idő vö. Tkv. VIII.33. ábra 47 Kétdimenziós B-kép mozgatott transzducer B-mód kijelző 24

TM-kép EKG jel referenciaként (függőleges) egydimenziós B-kép időbeli változása idő (T)M-kép Time Motion Tkv. VIII.34. ábra Kétdimenziós B-kép és A-kép 25

TM-kép time-motion B-kép Doppler: bimodális képalkotás, kétféle információ egymásra helyezve egy képben BART: Blue Away Red Towards A színkódolás a sebesség-információt mutatja power Doppler A doppler jelben levő teljesítményt mutatja meg 26

CW: folyamatos hullámú adó és vevő különválasztva (egymás mellett) f D v 2 R cos f c pl. f=8000 khz v=12 cm/s c=1600 m/s = 37º f D =1 khz (lebegés jelensége) 53 Tkv. VIII.41. ábra Doppler görbék minden időpillanatban egy sebességgel jellemezhető áramlás minden időpillanatban egy sebességeloszlással jellemezhető áramlás sebességeloszlástm-képe Tkv. VIII.42. ábra 27

55 56 28

face of a fetus bladder carotis 2/17/2016 3D reconstruction 57 biztonság in the diagnostics: 10 mw/cm 2 = 100 W/m 2 Hallható hang: fájdalomküszöb kb W/m 2 intenzitás (W/cm 2 ) Lehet hogy már nem biztonságos spatial average temporal average (SATA) intensity; spatial peak temporal peak (SPTP) intensity; spatial peak temporal average (SPTA) intensity; spatial peak pulse average (SPPA) intensity spatial average pulse average (SAPA) intensity Biztonságos tartomány Kezelési/vizsgálati idő (s) 58 29

Mechanikai index = legkisebb negatív nyomásérték / UH középfrekvencia hőindex = W p / W deg W p : hangteljesítmény az adott mélységben W deg : becsült teljesítmény ami 1⁰C hőmérséklet emelkedéshez kell (1s alatt) terápia: 1 W/cm 2 30